海南近期用水结构变化规律分析

甘丰余, 邢侨芬, 林振豪, 张仁东

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中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 153-157.
供水工程

海南近期用水结构变化规律分析

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An Analysis of the Change Law of Water Utilization Structure in Hainan

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摘要

用水结构反映了一定时期地区经济社会发展对水资源的需求差异,选取海南省2000~2016年用水数据,运用信息熵理论研究分析海南岛屿用水结构时空变化规律。研究结果表明:①近17年以来,海南省用水结构信息熵总体呈上升趋势,用水系统的稳定性和均衡性增强;②用水结构空间演变呈现显著的区域性差异,信息熵值从中部山区向四周沿海地区逐渐增大,用水结构系统的稳定性从中部山区往四周,特别是向南北两端增强,与其独特的岛屿地形地貌、水资源禀赋及经济社会发展特点基本吻合。

Abstract

The structure of water use reflects the demand difference of water resources for regional economic and social development in a certain period. Based on the data of water use in Hainan Province from 2000 to 2016, this paper uses the theory of information entropy to analyze the spatiotemporal evolution characteristics of island water utilization structure in Hainan. The results show that, in the past 17 years, the information entropy of water utilization structure in Hainan Province is on the rise, and the stability and equilibrium of water use system are enhanced. The spatial evolution of water utilization structure shows significant regional differences. The information entropy value gradually increases from the central mountain areas to the surrounding coastal areas. The stability of water use structure system increases from the central mountain areas to the surrounding areas, especially to the north and south end, which is basically consistent with the unique topography, water resource endowment and economic and social development characteristics of Hainan Island.

关键词

岛屿型用水结构 / 信息熵 / 时空演变特征

Key words

island water utilization structure / information entropy / spatiotemporal evolution characteristics

基金

国家自然科学基金青年基金项目(51909175)

引用本文

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甘丰余 , 邢侨芬 , 林振豪 , 张仁东. 海南近期用水结构变化规律分析[J].中国农村水利水电, 2021(3): 153-157
Feng-yu GAN , Qiao-feng XING , Zhen-hao LIN , Ren-dong ZHANG. An Analysis of the Change Law of Water Utilization Structure in Hainan[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 153-157
随着经济社会快速发展,水资源短缺所带来的供需矛盾日益突出,经济社会用水需求很大程度上体现在用水结构的转变上。当前对于用水结构演变趋势的研究,经历了从定性分析到定量识别的转变,现有区域用水结构研究主要归结为三类。一是在用水结构的时间变化及驱动因素分析方面,如孙凯艳等1利用信息熵、方向系数和Mann-Kendall检验对海河流域用水结构特征及其演变趋势进行了研究与分析;吴孝情2等采用信息熵理论分析了东江流域近年用水现状、用水结构及其演变特征与发展趋势。二是用水结构与产业结构的关系分析,如蒋桂芹等3在分析产业结构与用水结构协调度内涵的基础上,提出了以“比较水资源生产率”指标及“产业结构与用水结构协调度”指标评价区域产业结构与用水结构协调度的方法;刘慧敏等4通过构建区域用水结构与产业结构协调评价体系与评价模型,分析用水结构与经济发展的协调性问题和响应关系。三是农业用水结构演变分析等方面,如王玉宝等5根据采用农业用水资料分析了我国农业用水结构的演变历程,将农业用水水平分为初级利用、低效利用、合理利用及高效利用4个阶段;黄晶6运用水足迹的理论和方法评价北京市水足迹及北京市农业用水结构的变化特征。
不同地区用水结构存在显著的地域性差异,现有的用水结构演变研究多以大陆流域或区域为背景,针对海岛地区的用水结构时空演变特征分析的研究成果尚不多见。鉴于海南岛屿型河流水系特征以及水资源特点的独特性,其水资源开发利用也有别于一般的大陆流域,工程性水资源短缺是其一大发展瓶颈,摸清海南经济社会用水特征是建设完善海南岛屿型水利基础设施网络,全面提升水安全保障能力的重要基础工作之一。基于此,本文以海南18个市县用水为基础,深入分析总结近年来海南经济社会用水总量、用水结构、用水水平及其演变规律,研究提出海南岛屿型经济社会用水特征,为日后海南各地区因地制宜地进行水资源约束下的产业结构调整提供科学决策依据,也为其他海岛独立水系地区的水资源配置和相关决策的制定提供可供借鉴的成果。

1 研究区域概况

海南省位于祖国最南端,是我国唯一的省级经济特区和热带省份,全省土地面积3.54 万km2,海南岛陆地面积3.42 万km2,是仅次于台湾岛的第二大岛。全岛地形地貌中间高四周低,以五指山、鹦哥岭为隆起核心,向外围逐级下降,由山地、丘陵、台地、平原构成环状圈层地貌,梯级结构明显。山地和丘陵占全岛面积的38.7%,台地占50.1%,平原占11.2%。海南岛属热带季风海洋性气候,四季变化不大,长夏无冬,高温多雨,干湿季分明。全岛平均气温22~26 ℃,年日照时数达1 750~2 750 h,多年平均降雨量约1 790 mm,蒸发量达1 800 mm。
较20世纪末,海南省经济规模实现了质的飞跃,以可比价计算2016年地区生产总值是2000年526.82亿元的5倍,年均增长率达10.8%,人均地区生产总值由2000年的0.68万元增加到2016年的4.43万元。海南省产业结构明显优化,三次产业比重由2000年的36.4∶19.8∶43.8调整为2016年的23.5∶22.3∶54.2,第一产业比重明显下降,第二产业略有增加,第三产业显著增长,以旅游业为龙头的产业结构初步形成,已调整为“三一二”的产业结构。

2 研究方法与数据

2.1 研究方法

将信息熵引入水资源系统,构造出用水系统结构的信息熵和均衡度,用于描述用水结构的演化趋势,分析水资源开发利用的合理性7
假设共有n种用水类型,每种类型用水所占比重为Pi,满足∑Pi =1,且Pi ≠0,用水结构信息熵表示如下。
H=-PilnPi
信息熵值H越大,表明用水量在各个用水部门间的分配越处于平均的状态,结构用水量的差异越小,用水系统的功能和稳定性越高。考虑不同时间尺度所包含水资源利用类型存在差异,引入均衡度J
J=H/Hmax=-PilnPi/lnn
均衡度J越大,表示单一用水类型优势性越弱,用水结构系统均衡性越强。

2.2 数据来源

本文所采用的2000、2001-2009、2010-2016年海南各市县用水量基础分析资料分别来源于《海南省水资源综合规划》8、《海南省水资源公报》9和《第三次海南省水资源调查评价》10等。用水数据按用户特性分为生活用水、工业用水、农业用水和人工生态环境补水4大类进行统计分析;其中农业用水细分为耕地灌溉用水、林果地灌溉用水、草地灌溉用水、鱼塘补水和牲畜用水等5个子项;生活用水细分为城镇居民生活用水、农村生活用水和服务业用水及建筑业用水等4个子项。考虑到历史资料的延续性,对各年数据的统计口径进行复核,保持统计口径的一致性,对于存在不一致性的数据进行修正和调整。

3 用水量变化

3.1 海南省用水量变化

2000年以来,海南省用水总量呈现波动上升态势,用水总量由41.68亿m3增长至44.96亿m3,年均增长率约为0.5%(见图1)。
图1 海南省历年用水量变化过程

Fig.1 Water consumption in Hainan Province from 2000 to 2016

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各用水部门中,农业用水相对稳定,随水文年型变化,农业基本在34.0 亿m3上下波动。工业用水则呈先增后减变化趋势,先是由2000年1.66 亿m3增加至2011年的3.75 亿m3,随后逐步降至2016年的3.17 亿m3。城镇居民生活和城镇公共用水则呈持续增长态势;城镇生活用水由2000年的1.70 亿m3增加到2016年的3.72 亿m3;城镇公共用水则由2000年的0.7 亿m3增加到2016年的2.41 m3,翻了两倍多;农村生活用水则呈下降趋势,由2000年的2.18 亿m3下降到2010年的1.61 亿m3,随后用水量基本维持不变。生态用水虽然总量不大,但是随着城镇生态环境要求的不断提高,用水增长明显,由2000年的0.03 亿m3急剧增长到2016年的0.45 亿m3,翻了近14倍。
2016年全省用水总量为44.96 亿m3,万元工业增加值用水量比2010年下降了46%,农田灌溉水有效利用系数达0.565,用水总量和用水效率指标满足海南省最严格水资源管理要求。用水效率相比于其他发达国家或地区差距较大,如台湾地区万元GDP用水量51 m3,较海南偏少54%,万元工业增加值用水量14 m3,较海南偏少74%。

3.2 各市县用水量变化

除部分地区外,各市县用水变化趋势总体变化幅度也较小;2000年以来,海口市和三亚市用水量增长幅度最大,均高于45%;临高县用水量下降幅度最大,降幅到27%;其他市县总体变化量不大,基本保持稳定。在农业用水方面,由于种植结构调整以及年降水频率影响,2000-2016年各市县农业用水呈上下波动;五指山市和海口市农业用水整体增长幅度最大,相较2000年,2016年农业用水增加幅度分别为44%、23%;临高县农业用水呈明显下降趋势,用水量下降幅度达31%;剩余其他市县变化幅度相对较小。在生活用水方面,各市县呈稳定增长趋势,相较2000年,平均增长55%;其中三亚市增幅最为明显,用水量增长将近165%。在工业用水方面,各市县变化趋势全省变化基本一致,其中儋州、东方、澄迈和昌江等市县用水量增长较大,对比2000年增长幅度高达200%以上。

4 用水结构时空演变特征

用水结构是一定时期地区生产、生活和生态用水量之间的比例关系的反应11,体现不同时空经济社会发展对水资源的需求差异12。依据社会经济发展,用水结构可分为初、中、高级3个阶段。初级阶段由于地区经济不发达以农业用水为主;中级阶段因经济快速发展,工业用水量的激增,工业、农业用水趋于均衡;高级阶段主要是城市人口增加以及生活水平的提高而使生活用水显著增加,农业、工业、生活用水趋于均衡13
下面将以2000-2016年海南18市县农业、工业、生活、生态四大类用水情况,统计分析全省各市县用水结构的时空变化。

4.1 用水结构时间变化

近年来,海南用水结构发生显著变化,逐渐由以农业用水为主,逐步向以农业用水和生活用水为主的方向转变;四大类型用水比重由2000年的84.9∶4.0∶11.0∶0.1变化为2016年的74.8∶7.0∶17.2∶1.0,各类用水比重趋于均衡,用水系统均衡性增强;系统熵值总体呈稳定上升趋势,由0.51增加到0.75,年均增长率约为2%(见表1)。用水结构显著变化主要体现在以下几方面。
表1 2000-2016年海南各市县信息熵变化

Tab.1 Information entropy of different regions in Hainan from 2000 to 2016

地区 市县 信息熵
2000 2005 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 均值

年均

增长率/%

琼北 海口 0.95 0.99 1.03 1.03 1.05 1.06 1.06 1.04 1.10 1.04 0.9
澄迈 0.46 0.62 0.68 0.70 0.69 0.76 0.80 0.79 0.79 0.70 3.3
儋州 0.41 0.61 0.80 0.82 0.84 0.81 0.78 0.75 0.76 0.73 4.0
临高 0.30 0.43 0.39 0.39 0.43 0.44 0.44 0.44 0.47 0.41 2.7
文昌 0.55 0.57 0.60 0.58 0.58 0.65 0.64 0.66 0.70 0.62 1.6
琼南 三亚 0.72 0.74 0.81 0.82 0.84 0.86 0.87 0.88 0.88 0.82 1.2
乐东 0.34 0.27 0.30 0.32 0.32 0.32 0.30 0.34 0.36 0.32 0.5
陵水 0.29 0.31 0.35 0.34 0.36 0.40 0.43 0.42 0.44 0.37 2.8
琼东 琼海 0.44 0.44 0.48 0.48 0.47 0.49 0.51 0.52 0.54 0.49 1.2
万宁 0.53 0.57 0.64 0.62 0.62 0.67 0.62 0.65 0.67 0.62 1.6
定安 0.38 0.62 0.56 0.55 0.52 0.58 0.60 0.59 0.61 0.56 3.1
屯昌 0.47 0.52 0.56 0.54 0.52 0.57 0.60 0.57 0.59 0.55 1.4
琼西 昌江 0.49 0.69 0.69 0.72 0.68 0.73 0.72 0.66 0.70 0.67 2.2
东方 0.31 0.56 0.59 0.60 0.61 0.57 0.53 0.53 0.50 0.53 3.2
中部 五指山 0.53 0.48 0.54 0.53 0.50 0.53 0.52 0.52 0.52 0.52 -0.1
保亭 0.35 0.41 0.42 0.44 0.45 0.45 0.44 0.44 0.46 0.43 1.7
琼中 0.42 0.45 0.40 0.40 0.41 0.44 0.46 0.45 0.49 0.44 1.0
白沙 0.50 0.57 0.54 0.52 0.55 0.58 0.56 0.55 0.56 0.55 0.7
全省 0.51 0.63 0.70 0.71 0.72 0.74 0.74 0.72 0.75 0.69 2.4

(1) 农业用水方面,第一产业作为全省经济发展的重要支柱,“冬季瓜菜基地”、“热带水果基地”等一大批热带特色现代

农业迅速发展,加上灌溉基础设施不断完善,耕地灌溉率、节水灌溉率有较大提高等,使得农业用水比重持续下降,年均下降率约为0.8%。从农业内部用水结构分析,耕地灌溉是最大农业用水部门,多年平均用水比重达85%,随着农业多方向、均衡化发展,传统耕地灌溉用水比重逐年减少,林果地和草地等用水比例波动上升,农业内部用水比例协调程度不断提高,内部用水信息熵由0.32增长至0.52。
(2)工业用水方面,近年来产业结构优化升级步伐加速,工业基础设施不断完善,节能减排效果明显,战略性新兴产业快速发展,使得工业用水比重呈先增后减的变化趋势,由2000年的4.0%增至2011年8.6%,随后再降至2016年7.0%,用水比重年均变化率为3.6%。
(3)受旅游经济对人口的吸引作用,人口和城镇化率呈现双增长局面,生活用水比重持续增长,由11.0%增长至17.2%,年均增长率为6.2%。生活用水内部结构分析,城镇居民生活和公共用水比重不断增长,农村居民生活用水比重降低,生活内部用水信息熵呈稳步上升,由1.01增长至1.12。
(4)生态用水比重极小但增长迅速,由0.1%增长至1.0%。
海南作为相隔大陆的海岛地区,自然隔绝性使其经济区位与内陆地区差异显著,造成发展时空上的差异。受交通阻隔,资金引入、产业和技术转移相对落后等影响,海南工业发展缓慢,产业规模仍较小,工业用水比重小。海南岛地形复杂,土壤蓄水能力差;丘陵众多,土地分散,水源不足,灌区灌溉系统不易布置,蓄水设施容量相对较小,工程抗灾能力弱,管理难度较大等,均导致海南农业用水量及其比例偏大。全岛各地区基本呈现农业用水量最大,生活用水量次之,工业用水量最小的用水结构特征,工农业用水比重与全国和珠江流域片平均水平相比偏差较大。
相较其他发达海岛国家或地区,海南与台湾71.3∶9.7∶19.0和日本66.0∶15.0∶19.0的用水结构基本相似,与美国31.2∶54.4∶14.4和澳大利亚北部地区29.0∶20.0∶51.0的用水结构差异较大14-16,用水结构均衡程度偏低。

4.2 用水结构空间变化

利用表1中18个市县的信息熵值,采用克里金法进行插值,得出海南信息熵的空间分布,见图2。基于海南岛屿型山形水系特征和社会经济发展特点,将全省划分为琼北、琼东、琼南、琼西、中部山区5个片区,分析讨论用水结构空间演变情况。
图2 海南省用水结构信息熵空间分布

Fig.2 Spatial distribution of information entropy of water utilization structure in Hainan Province

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琼北地区主要涉及海口、澄迈、临高、儋州、文昌5市县,是海南省政治经济文化中心,人口密集,经济发达,集中了全岛60%的人口、58%的GDP和90%以上的工业,是国家重要能源基地,也是海南主要的粮食生产基地和热带特色农业科技创新中心。从表1图2可看出,琼北地区为全省信息熵高值区,除临高县外,2016年各市县信息熵均在0.7以上。特别是海口市作为中心城市的核心作用明显,人口数量最多,全市常住人口达到224.36万人,约占全省总人口的24%以上,地区生产总值约占全省的1/3,经济社会用水均衡程度最高,信息熵值为1.1,用水结构处于高级阶段。
琼南地区涉及乐东、三亚、陵水3市县。三亚作为琼南地区经济社会发展中心,是国家热带海滨风景旅游城市、自贸区,具有丰富的海滨旅游资源,是旅游候鸟人数最多、人口最集中的地区。三亚以旅游业为龙头的现代服务业加快发展,产业结构明显优化,人均地区生产总值居全省第一;居民生活用水和公共用水比重快速增长,由原先24.7%提高至41.5%;农业用水比例进一步下降,由71.5%下降至53.7%;各部门用水比例更加均衡,用水信息熵相应迅速提高,由0.72提高至0.88,用水结构水平处于高级阶段,是全省信息熵的另一个高值区。琼南地区是我国著名南繁育种基地,区域内耕地灌溉率为全省最高,达到40%以上,高效节水灌面集中程度高。特别是乐东和陵水,热带现代农业产业发展迅速,农业用水比例依然占支配地位,占比高达90%以上;工业用水比例较小,生活用水比重增长缓慢;用水结构信息熵值约为0.34~0.44之间,为全省信息熵低值区,用水结构发展仍处于以农业为主的初级阶段。
琼东地区涉及安定、屯昌、琼海、万宁4市县,是万泉河流域、南渡江右岸地区及其他独流入海区域,地形以平原、浅丘为主,耕园地资源丰富,是全省重要的冬季瓜菜和热带作物种植区。全省14.47 万hm2的节水灌面中,琼东地区分布较多,其中高效节水灌面1.27 万hm2,占区域耕园地面积的7.75%。节水灌溉面积的增加使得琼东各市县农业用水量和用水比重持续下降,用水比重降至75%~80%左右。目前主要依托琼海-博鳌、万宁重点发展旅游、会展、医疗健康等产业,该地区接待过夜旅游人数基本是琼中西部过夜人数的5倍左右。由于人口增加和生活水平而导致生活用水量及比重增加较快,用水结构处于生活、农业用水趋于均衡的中间阶段,信息熵也相应逐步趋于全省中等水平,为0.54~0.67之间。
琼西地区主要包括东方和昌江,是全岛降雨量最少的地区,但沿海土地资源丰富,适合农业生产,是海南岛西部粮食、油料等农产品生产基地,同时也是海南岛核电基地及石化工业基地。该地区农业用水比例不断下降,工业用水比例上升后维持在稳定状态,生活用水比重和城镇公共用水比重持续上升,各部门用水比重逐步趋于均衡,用水信息熵为0.5~0.7,为全省中等水平。
中部山区包括白沙、琼中、五指山,保亭4个市县,均为国家级贫困县,是全省少数民族聚居地和主要贫困人口集中地。基于海岛山形水系特征,中部山区是全岛生态敏感区和生物多样性最为富集的地区,是国家级重点生态功能区,是全岛生态安全战略中心。该区需要限制大规模高强度工业化城镇化开发,是全省人口最少、灌溉面积最少的区域;地区经济相对不发达,人均地区生产总值约为2万元左右,略超过三亚的1/3。区域各市县用水总量小,用水结构变化相应缓慢,信息熵增长幅度较小,低值区主要集中于此。
总体上,受地区经济社会发展悬殊的影响,产业结构发展优化不同步,使得海南各地区用水结构信息熵值及其变化未呈现出一致区域性特征。2000年信息熵高值区主要聚集于海南岛南北两极,即海口市和三亚市,相应信息熵值分别为0.95和0.72;其余地区用水结构信息熵普遍较低,均为信息熵低值区,该时期全省大部分地区用水结构的稳定度不高。2010年以后,随着海南热带特色农业、新型工业、现代服务业迅速发展,以海口和三亚为核心的信息熵高值区范围逐步扩大;沿海地区城镇规模经济和产业聚集水平不断提升,农业、工业、生活、生态用水趋于均衡,信息熵值随之提高。

5 结 论

本文以海南省为研究区域,利用2000-2016年用水数据,运用信息熵理论研究了海南岛屿型用水结构的时空演变特征,结果表明。
(1)2000-2016年期间,特别是海南省最严格水资源管理制度实施后,通过用水总量控制和用水效率控制,工农业等生产用水量得到有效遏制,用水比例显著下降,生态用水逐渐得到保证,生活和公共用水及其比重不断增长,用水结构信息熵总体呈上升趋势,用水结构趋于均衡。
(2)现状农业用水比重偏大,对比国外其他发达地区,用水结构均衡程度仍处于较低水平。
(3)海南省用水结构空间变化呈现显著的区域性差异,信息熵值是从中部山区向四周沿海地区逐渐增大,南北两极为信息熵高值区,反映了海南省用水结构系统的稳定性从中部山区往四周,特别是向南北两端增强,这与海南省人口分布、经济发展布局、海南岛独特的地形地貌、水资源禀赋特点基本吻合。
目前,关于海南岛屿型用水结构的分析仍不完善,结合本文研究,认为可进一步从海洋性气候特征、生态系统各要素关系等大尺度及水文循环小尺度,深入分析海南岛屿型水资源特点独特性,研究提出岛屿型经济社会用水特征。

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